JP2019204700A - Fuel cell manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な処理により、カーボン担体の細孔内に担持された触媒がアイオノマーにより被覆された触媒層を有する燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面にそれぞれ電極を有する燃料電池の製造方法であって、前記電極は、細孔を有するカーボン担体、触媒及びアイオノマーを含む触媒層を有し、前記カーボン担体、触媒及びアイオノマーと溶媒を混合した触媒層用インクに電圧を印加するか、又は前記触媒層用インクを用いて形成された前記触媒層であって、半乾燥状態にある前記触媒層を有する前記燃料電池に電圧を印加するステップを含む。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a fuel cell having a catalyst layer in which a catalyst supported in pores of a carbon support is coated with an ionomer by a simple treatment. A method of manufacturing a fuel cell is a method of manufacturing a fuel cell having electrodes on both sides of an electrolyte membrane, wherein the electrodes have a carbon support having pores, a catalyst and a catalyst layer containing an ionomer. A voltage is applied to the ink for the catalyst layer in which the carbon carrier, the catalyst and the ionomer and the solvent are mixed, or the catalyst layer formed by using the ink for the catalyst layer, the catalyst being in a semi-dried state Applying a voltage to the fuel cell having a layer. [Selection diagram] Figure 2
Description
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。特に、固体高分子電解質型燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell. In particular, the present invention relates to a method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池の電極反応は、いわゆる三相界面といわれる、電解質-触媒-反応ガス(水素)の界面で生じると考えられている。このため、燃料電池の発電性能向上には、触媒層中に多くの三相界面を存在させることが有効となる。そこで、従来から、燃料電池の分野において、触媒層に着目して燃料電池の発電性能向上を図る試みがなされている。 The electrode reaction of a fuel cell is considered to occur at an electrolyte-catalyst-reactive gas (hydrogen) interface, which is called a three-phase interface. For this reason, in order to improve the power generation performance of the fuel cell, it is effective to have many three-phase interfaces in the catalyst layer. Therefore, conventionally, in the field of fuel cells, attempts have been made to improve the power generation performance of the fuel cells by focusing on the catalyst layer.
燃料電池の発電性能を向上させるために、例えば、硝酸を用いて微細な細孔を有する担体を親水化処理して、担体の細孔内に、電解質膜と同類の電解質(触媒層内で使用する電解質。以下、アイオノマーという)を浸入させた触媒層が報告されている(例えば、特許文献1参照)。担体の細孔内に担持された触媒がアイオノマーで被覆されることにより、担体の表面だけでなく細孔内にも三相界面を形成させ、発電性能向上を図っている。 In order to improve the power generation performance of the fuel cell, for example, a carrier having fine pores is hydrophilized using nitric acid, and the electrolyte similar to the electrolyte membrane (used in the catalyst layer) is used in the pores of the carrier. There has been reported a catalyst layer in which an electrolyte (hereinafter referred to as ionomer) is infiltrated (see, for example, Patent Document 1). The catalyst supported in the pores of the carrier is coated with an ionomer to form a three-phase interface not only on the surface of the carrier but also in the pores, thereby improving power generation performance.
しなしながら、特許文献1に記載されるような、担体の細孔内にアイオノマーを浸入させた触媒層を製造するための親水化処理は、液相反応の処理であるため、洗浄処理や乾燥処理などの煩雑な後処理を必要とする。このため、製造に要する時間が長くなり、且つ、製造コストが上昇するという課題があった。 However, since the hydrophilization treatment for producing the catalyst layer in which the ionomer is infiltrated into the pores of the carrier as described in Patent Document 1 is a liquid phase reaction treatment, washing treatment and drying are performed. Complicated post-processing such as processing is required. For this reason, there existed a subject that time required for manufacture became long and manufacturing cost raised.
本発明は、簡易な処理により、カーボン担体の細孔内に担持された触媒がアイオノマーにより被覆された触媒層を有する燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for producing a fuel cell having a catalyst layer in which a catalyst supported in pores of a carbon support is coated with an ionomer by a simple treatment.
本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面にそれぞれ電極を有する燃料電池の製造方法であって、前記電極は、細孔を有するカーボン担体、触媒及びアイオノマーを含む触媒層を有し、前記カーボン担体、触媒及びアイオノマーと溶媒を混合した触媒層用インクに電圧を印加するか、又は前記触媒層用インクを用いて形成された前記触媒層であって、半乾燥状態にある前記触媒層を有する前記燃料電池に電圧を印加するステップを有するものである。 A fuel cell manufacturing method according to the present invention is a fuel cell manufacturing method having electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane, wherein the electrodes have a carbon layer having pores, a catalyst layer containing a catalyst and an ionomer. The catalyst is formed by applying a voltage to the ink for the catalyst layer obtained by mixing the carbon carrier, the catalyst, the ionomer and the solvent, or using the catalyst layer ink, and the catalyst is in a semi-dry state. Applying a voltage to the fuel cell having a layer.
本発明によれば、簡易な処理により、カーボン担体の細孔内に担持された触媒がアイオノマーにより被覆された触媒層を有する燃料電池の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a fuel cell having a catalyst layer in which a catalyst supported in the pores of a carbon support is coated with an ionomer by a simple treatment.
以下、本発明の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する構成は、本発明の一実施態様としての一例(代表例)であり、本発明は以下に説明する構成に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration described below is an example (representative example) as an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the configuration described below.
また、以下では、同一の又は類似する説明を、適宜簡略化又は省略している。図面は模式的なものであり、各部の寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 In the following, the same or similar descriptions are simplified or omitted as appropriate. It should be noted that the drawings are schematic and ratios of dimensions of the respective parts are different from actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
(燃料電池)
本発明の製造方法によって製造される燃料電池は、単セル構造を有する燃料電池であってもよいし、スタック構造を有する燃料電池であってもよい。
図1は、燃料電池の基本単位である燃料電池セルの構成例を示している。
(Fuel cell)
The fuel cell produced by the production method of the present invention may be a fuel cell having a single cell structure or a fuel cell having a stack structure.
FIG. 1 shows a configuration example of a fuel cell that is a basic unit of a fuel cell.
図1に示す燃料電池セル10は、水素ガスと酸素ガスの供給を受けて発電する固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池セル10は、図1に示すように、2つのセパレータ3と、2つのセパレータ3間に設けられた膜電極接合体4とを有する。セパレータ3は、燃料電池セル10に供給されるガスを膜電極接合体4へ流す流路を有する。燃料電池セル10がスタック構造である場合、セパレータ3は、隣り合うセル間を電気的に接続する。
膜電極接合体4は、図1に示すように、電解質膜1と、2つの電極2と、を有する。
A
As shown in FIG. 1, the
電解質膜1は、プロトン供与性の固体高分子電解質の膜である。電解質膜1には、後述する電極2において使用可能な電解質と同様の電解質を使用することができる。
The electrolyte membrane 1 is a proton-donating solid polymer electrolyte membrane. For the electrolyte membrane 1, an electrolyte similar to the electrolyte that can be used in the
2つの電極2は、電解質膜1の両面にそれぞれ設けられる。一方の電極2はアノードであり、燃料極とも呼ばれる。他方の電極2はカソードであり、空気極とも呼ばれる。アノードである電極2では、セパレータ3を介して供給された水素ガス(H2)から電子(e−)とプロトン(H+)が生成される反応が生じる。電子は外部回路を経由してカソードである電極2へ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。プロトンはカソードである電極2へ向かって電解質膜1中を移動する。カソードである電極2では、セパレータ3を介して酸素ガス(O2)が供給され、外部回路から移動してきた電子により酸素イオン(O2−)が生成される。酸素イオンは、電解質膜1から移動してきたプロトン(2H+)と結合して、水(H2O)になる。
The two
各電極2は、図1に示すように、触媒層21とガス拡散層22を有する。ガス拡散層22は、各電極2に供給された水素ガス又は酸素ガスを電極2に拡散させるため、必要に応じて設けることができる。ガス拡散層22としては、例えばカーボン繊維等の導電性、ガス透過性及びガス拡散性を有する多孔性繊維シート、発砲金属、エキスパンドメタル等の多孔性の金属板を用いることができる。
Each
(触媒層)
触媒層21は、電解質膜1に隣接して設けられる。触媒層21は、触媒、担体及びアイオノマーを含み、触媒によって上述した水素ガス及び酸素ガスの反応を促進する。触媒層21では、粒子状の触媒が担体に担持され、アイオノマーによって担体及び触媒が被覆されている。担体及び触媒は、少なくとも一部がアイオノマーによって被覆されていればよいが、触媒利用率の向上の観点からは、被覆される領域が大きいほど好ましい。ガスとの反応性を高める観点からは、触媒を被覆するアイオノマーの層は薄い方が好ましい。
(Catalyst layer)
The
(触媒)
触媒としては、水素ガス又は酸素ガスの触媒作用を有するのであれば特に限定されないが、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、タングステン(W)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)等の金属、これら金属の混合物、合金等が挙げられる。なかでも、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性等を向上させる観点から、白金、白金を含む混合物又は合金が好ましい。触媒が合金からなる場合、合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、その他の金属の含有量を10〜70原子%とすることができる。
(catalyst)
The catalyst is not particularly limited as long as it has a catalytic action of hydrogen gas or oxygen gas. For example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium ( Os), tungsten (W), lead (Pb), iron (Fe), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium ( Examples thereof include metals such as Ga) and aluminum (Al), mixtures of these metals, alloys, and the like. Of these, platinum, platinum-containing mixtures or alloys are preferable from the viewpoint of improving catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like. When the catalyst is made of an alloy, the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, but the platinum content is 30 to 90 atomic% and the other metal contents are 10 to 70 atomic%. Can do.
触媒の平均粒子径は、特に限定されないが、触媒利用率及びカーボン担体での担持性の向上の観点からは、好ましくは1〜30nm、より好ましくは1〜20nmである。
触媒の平均粒子径は、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径として求めることができる。また、触媒の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)又は走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)より観察したn個の触媒粒子の粒子径の平均値として求めることもできる。nは、例えば200〜300とすることができる。
The average particle diameter of the catalyst is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 20 nm from the viewpoint of improving the catalyst utilization rate and the supportability on the carbon support.
The average particle diameter of the catalyst can be determined as the crystallite diameter determined from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction. The average particle diameter of the catalyst may be obtained as an average value of the particle diameters of n catalyst particles observed with a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM). it can. n can be 200-300, for example.
(カーボン担体)
カーボン担体としては、内部に細孔を有する導電性の多孔性カーボン(メソポーラスカーボンなど)を用いることができる。多孔性カーボンとしては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)等のカーボンブラック、複数層のグラフェンシートが積層されてメソポーラスが形成された構造を有するカーボン等が挙げられる。
(Carbon support)
As the carbon carrier, conductive porous carbon (mesoporous carbon or the like) having pores inside can be used. Examples of the porous carbon include carbon black such as ketjen black (registered trademark), acetylene black, and Vulcan (registered trademark), carbon having a structure in which a plurality of graphene sheets are laminated to form a mesoporous layer, and the like. .
カーボン担体の平均粒径は、特に限定されないが、触媒粒子の担持性を高める観点からは、10〜100nmが好ましい。
カーボン担体の平均粒径は、TEM又はSEMにより求めることができる。具体的には、TEM又はSEMにより適切な倍率(例えば、5万〜100万倍)で撮影した画像において、球状のn個の粒径の平均値を平均粒径とする。nは、例えば200〜300とすることができる。
The average particle size of the carbon support is not particularly limited, but is preferably 10 to 100 nm from the viewpoint of enhancing the supportability of the catalyst particles.
The average particle size of the carbon support can be determined by TEM or SEM. Specifically, in an image taken at an appropriate magnification (for example, 50,000 to 1,000,000 times) with TEM or SEM, the average value of the spherical n particle diameters is defined as the average particle diameter. n can be 200-300, for example.
カーボン担体の細孔の直径の平均値である平均径は、特に限定されないが、触媒粒子を細孔内にも担持する観点からは、2〜20nmが好ましい。カーボン担体の細孔の平均径は、例えば、窒素吸着法等により算出される。 The average diameter, which is the average value of the diameters of the pores of the carbon support, is not particularly limited, but is preferably 2 to 20 nm from the viewpoint of supporting the catalyst particles in the pores. The average diameter of the pores of the carbon support is calculated by, for example, a nitrogen adsorption method.
カーボン担体のBET比表面積は、多くの触媒粒子を担持する観点から、50m2/g以上が好ましく、500m2/g以上がより好ましく、700m2/g以上がさらに好ましい。一方、カーボン担体のBET比表面積は、均一に触媒粒子を担持する観点から、1500m2/g以下が好ましく、1300m2/g以下がより好ましく、1000m2/g以下がさらに好ましい。したがって、カーボン担体のBET比表面積は、50〜1500m2/gが好ましく、500〜1300m2/gがより好ましく、700〜1000m2/gがさらに好ましい。
上記カーボン担体のBET比表面積は、窒素吸着法により測定される。
The BET specific surface area of the carbon support is preferably 50 m 2 / g or more, more preferably 500 m 2 / g or more, and still more preferably 700 m 2 / g or more, from the viewpoint of supporting many catalyst particles. On the other hand, BET specific surface area of the carbon support, from the viewpoint of uniformly support the catalyst particles is preferably 1500 m 2 / g or less, more preferably 1300 m 2 / g, more preferably 1000 m 2 / g or less. Therefore, BET specific surface area of the carbon support preferably is 50~1500m 2 / g, more preferably 500~1300m 2 / g, more preferably 700~1000m 2 / g.
The BET specific surface area of the carbon support is measured by a nitrogen adsorption method.
カーボン担体に担持された触媒の質量は、触媒とカーボン担体を合わせた質量(100質量%)に対して、通常1〜99質量%とすることができ、触媒活性及び担持性の向上の観点からは、10〜90質量%が好ましく、20〜80質量%がより好ましい。 The mass of the catalyst supported on the carbon support can be usually 1 to 99% by mass with respect to the total mass (100% by mass) of the catalyst and the carbon support, from the viewpoint of improving the catalyst activity and the supportability. 10-90 mass% is preferable, and 20-80 mass% is more preferable.
(アイオノマー)
アイオノマーは、触媒層21中で使用するプロトン供与性の高分子電解質である。アイオノマーは、繰り返し構造を有するポリマーを主鎖として、酸性の官能基を有する。酸性の官能基としては、酸性を示す官能基であれば特に限定されず、例えばスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基等が挙げられ、なかでもプロトン伝導性の観点から、スルホン酸基が好ましい。アイオノマーによるプロトン伝導のメカニズムとしては、酸性の官能基によって親水性のコアが形成され、コア内に水分子が局在したクラスターのネットワークが形成されて、この親水性のネットワークをプロトンが移動するモデルが提唱されている。
(Ionomer)
The ionomer is a proton-donating polymer electrolyte used in the
触媒層21に使用できるアイオノマーとしては、例えば酸性の官能基を有するフッ素系ポリマー、酸性の官能基を有する炭化水素系ポリマー等のイオン交換性ポリマーが挙げられる。触媒層21に使用するアイオノマーは、電解質膜1で使用される電解質と同じ種類であってもよいし、異なる種類であってもよい。
Examples of the ionomer that can be used for the
酸性の官能基を有するフッ素系ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸ポリマー等が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ユニットと、パーフルオロスルホン酸ユニットとを有する。パーフルオロスルホン酸ポリマーとしては、市販品も使用することができる。使用できる市販品としては、例えばナフィオン(Nafion:登録商標、DuPont社製)、アクイヴィオン(Aquivion:登録商標、Solvay社製)、フレミオン(Flemion:登録商標、旭硝子社製)、アシプレックス(Aciplex:登録商標、旭化成社製)等が挙げられる。 A perfluorosulfonic acid polymer etc. are mentioned as a fluorine-type polymer which has an acidic functional group. The perfluorosulfonic acid polymer has a polytetrafluoroethylene (PTFE) unit and a perfluorosulfonic acid unit. A commercial item can also be used as a perfluorosulfonic acid polymer. Examples of commercially available products that can be used include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aquivion (registered trademark, manufactured by Solvay), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass), and Aciplex (registered). Trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.).
酸性の官能基を有する炭化水素系ポリマーとしては、例えば酸性の官能基を有する芳香族ポリマー、酸性の官能基を有する脂肪族ポリマー等が挙げられる。 Examples of the hydrocarbon polymer having an acidic functional group include an aromatic polymer having an acidic functional group and an aliphatic polymer having an acidic functional group.
酸性の官能基を有する芳香族ポリマーとしては、例えばスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スルホン化ポリエーテルスルホン(SPES)、スルホン化ポリフェニルスルホン(SPPSU)、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルイミド、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスチレン等が挙げられる。 Examples of the aromatic polymer having an acidic functional group include sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated polyethersulfone (SPES), sulfonated polyphenylsulfone (SPPSU), sulfonated polyimide, and sulfonated polyetherimide. Sulfonated polysulfone, sulfonated polystyrene and the like.
酸性の官能基を有する脂肪族ポリマーとしては、例えばポリビニルスルホン酸、ポリビニルリン酸等が挙げられる。 Examples of the aliphatic polymer having an acidic functional group include polyvinyl sulfonic acid and polyvinyl phosphoric acid.
アイオノマーのイオン交換容量(IEC:Ion Exchange Capacity)は、プロトン伝導性の向上の観点からは、0.6meq/g以上であることが好ましく、0.9meq/g以上がより好ましく、1.2meq/g以上がさらに好ましい。また、アイオノマーのイオン交換容量は、吸水時の寸法安定性の観点からは、3meq/gであることが好ましく、2.5meq/g以下がより好ましく、2meq/g以下がさらに好ましい。よって、アイオノマーのイオン交換容量は、0.6〜3meq/gが好ましく、0.9〜2.5meq/gがより好ましく、1.2〜2meq/gがさらに好ましい。 The ion exchange capacity (IEC) of the ionomer is preferably 0.6 meq / g or more, more preferably 0.9 meq / g or more, and 1.2 meq / g from the viewpoint of improving proton conductivity. More preferably g. The ion exchange capacity of the ionomer is preferably 3 meq / g, more preferably 2.5 meq / g or less, and further preferably 2 meq / g or less from the viewpoint of dimensional stability upon water absorption. Therefore, the ion exchange capacity of the ionomer is preferably 0.6 to 3 meq / g, more preferably 0.9 to 2.5 meq / g, and still more preferably 1.2 to 2 meq / g.
カーボン担体がメソポーラスカーボンである場合、アイオノマー(I)に対するカーボン担体(C)の質量比(I/C)は、イオン伝導性を高める観点から、好ましくは0.1以上であり、より好ましくは0.2以上であり、さらに好ましくは0.3以上である。一方、質量比(I/C)は、触媒を被覆するアイオノマーの厚みを抑えて、触媒活性を高める観点から、好ましくは2以下であり、より好ましくは1.5以下であり、さらに好ましくは1.1以下である。したがって、質量比としては、0.1〜2が好ましく、0.2〜1.5がより好ましく、0.3〜1.1がさらに好ましい。 When the carbon support is mesoporous carbon, the mass ratio (I / C) of the carbon support (C) to the ionomer (I) is preferably 0.1 or more, more preferably 0, from the viewpoint of enhancing ion conductivity. .2 or more, more preferably 0.3 or more. On the other hand, the mass ratio (I / C) is preferably 2 or less, more preferably 1.5 or less, and even more preferably 1 from the viewpoint of increasing the catalytic activity by suppressing the thickness of the ionomer covering the catalyst. .1 or less. Accordingly, the mass ratio is preferably 0.1 to 2, more preferably 0.2 to 1.5, and still more preferably 0.3 to 1.1.
触媒層21の厚みは、特に限定されないが、触媒層21の触媒性能及び触媒層21の形成性の観点から、0.1μm以上であることが好ましく、1μm以上がより好ましい。一方、ガス拡散性の観点からは、触媒層21の厚みは、50μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましい。したがって、触媒層21の厚みは、0.1〜50μmが好ましく、1〜20μmがより好ましい。
The thickness of the
図2は、本発明に係る燃料電池の製造方法を説明するための、電圧を印加するステップ後のカーボン担体の一例を示す断面図である。
図2に示すように、カーボン担体12は、内部に微細な細孔14を有し、外表面にその細孔14の開口部15を有している。カーボン担体12の外表面および細孔14内には触媒11が担持され、カーボン担体12の外表面に担持された触媒11だけでなく細孔14内に担持された触媒11も、アイオノマー13により被覆されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the carbon carrier after the step of applying a voltage for explaining the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention.
As shown in FIG. 2, the
電圧を印加するステップ後のカーボン担体12は、細孔14の開口部15が拡張され、細孔14の開口部15の平均径が、細孔14の平均径と比較して大きい。これにより、アイオノマー13が細孔14内に浸入することができ、細孔14内に担持された触媒11がアイオノマー13により被覆される。
In the
細孔14の平均径に対する開口部15の平均径の比は、細孔14内の触媒11を被覆するアイオノマー13の被覆率を高める観点から、好ましくは1.2以上であり、より好ましくは1.3以上であり、さらに好ましくは1.4以上である。一方、細孔14の平均径に対する開口部15の平均径の比は、カーボン担体12の物理的な耐久性の観点から、通常、5.0以下である。
The ratio of the average diameter of the
細孔14の開口部15の平均径は、TEM又はSEM等の既知の方法を用いて測定することができる。具体的には、TEM又はSEMにより適切な倍率(例えば、5万〜100万倍)で撮影した画像において、n個の開口部15の直径の平均値を平均径とする。nは、例えば200〜300とすることができる。
The average diameter of the
図3は、本発明に係る燃料電池の製造方法を説明するための、電圧を印加するステップ前のカーボン担体の一例を示す断面図である。
図3に示すように、細孔14内に担持された触媒11はアイオノマー13により被覆されていない。また、細孔14の開口部15は拡張されていない。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the carbon carrier before the step of applying a voltage for explaining the fuel cell manufacturing method according to the present invention.
As shown in FIG. 3, the
電圧を印加するステップ後のカーボン担体12は、図2に示したように、細孔14内に担持された触媒11においても、アイオノマー13により被覆されている。このため、電圧を印加するステップを含む本発明の製造方法により製造された一実施形態の燃料電池は、触媒層中に多くの三相界面が存在することとなり、発電性能に優れる。
As shown in FIG. 2, the
(燃料電池の製造方法)
本発明の製造方法の一実施形態として、カーボン担体12の細孔14内に担持された触媒11がアイオノマー13により被覆された燃料電池を製造する方法を説明する。本実施形態においては、触媒層用インク又は半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池に電圧を印加するステップを含むことを特徴とする。触媒層用インク又は半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池に電圧を印加することにより、カーボン担体12の主として外表面が炭素酸化反応により酸化され、細孔14の開口部15の平均径が大きくなる。このため、アイオノマー13が細孔14内に浸入することを可能とし、カーボン担体12の細孔14内に担持された触媒11がアイオノマー13により被覆された触媒層21を有する燃料電池を得ることができる。
(Fuel cell manufacturing method)
As an embodiment of the production method of the present invention, a method for producing a fuel cell in which the
本実施形態においては、電圧を印加することにより、炭素を酸化させる電気酸化法であるため、処理に伴う洗浄処理や乾燥処理等が不要である。このため、本実施形態においては、従来の液相反応による製造方法と比較し、製造に要する時間が短く簡易であり、且つ、製造コストが低いため、連続処理や大規模製造に適する。 In this embodiment, since it is an electrooxidation method that oxidizes carbon by applying a voltage, a cleaning process, a drying process, and the like associated with the process are unnecessary. For this reason, in this embodiment, compared with the manufacturing method by the conventional liquid phase reaction, since the time required for manufacturing is short and simple and the manufacturing cost is low, it is suitable for continuous processing and large-scale manufacturing.
図4及び図5を参照して、本発明の製造方法の一実施形態として、燃料電池を得るまでのステップを説明する。図4は、半乾燥状態の触媒層を有する燃料電池に電圧を印加するステップを含む本発明の実施の形態1に係る製造方法を示すフローチャートである。図5は、触媒層用インクに電圧を印加するステップを含む本発明の実施の形態2に係る製造方法を示すフローチャートである。
With reference to FIG.4 and FIG.5, the step until obtaining a fuel cell is demonstrated as one Embodiment of the manufacturing method of this invention. FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing method according to Embodiment 1 of the present invention, including a step of applying a voltage to a fuel cell having a semi-dry catalyst layer. FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing method according to
<実施の形態1>
以下に、実施の形態1に係る、燃料電池の製造方法を説明する。
図4に示されるように、実施の形態1に係る燃料電池の製造方法は、ステップS10、ステップS11、ステップS12、ステップS13、ステップS14及びステップS15を含む。以下、各ステップについて説明する。
<Embodiment 1>
Below, the manufacturing method of the fuel cell based on Embodiment 1 is demonstrated.
As shown in FIG. 4, the fuel cell manufacturing method according to Embodiment 1 includes step S10, step S11, step S12, step S13, step S14, and step S15. Hereinafter, each step will be described.
(触媒を担持するステップ)
ステップS10は、細孔14を有するカーボン担体12に触媒11を担持するステップである。
触媒11をカーボン担体12に担持する方法は、特に限定されず、既知の方法を用いることができる。例えば、カーボン担体12としてメソポーラスカーボンを使用し、触媒11として白金を使用する場合は、メソポーラスカーボンを純水中に分散させ、この分散液中に、硝酸を添加する。さらに、ジニトロジアミン白金塩水溶液を添加した後、エタノールを添加して加熱することにより還元する。これにより、表面及び細孔14の内部に白金粒子が担持されたメソポーラスカーボンが得られる。なお、既に市販されている、触媒11が担持されたカーボン担体12を用いても良い。
(Step of supporting catalyst)
Step S <b> 10 is a step of supporting the
The method for supporting the
(触媒層用インクを調製するステップ)
ステップS11は、アイオノマー13と水及び有機溶媒を含む溶媒とを混合して撹拌した後、触媒11を担持したカーボン担体12をさらに混合して分散処理し、触媒層用インクを調製するステップである。
(Step of preparing ink for catalyst layer)
Step S11 is a step of preparing an ink for a catalyst layer by mixing and stirring the
撹拌は、例えば、スターラを用いて行う。分散処理は、特に限定されないが、例えば、ボールミル等を用いて処理する。ここで、ボールミルは、ボールと材料を容器に入れて回転させる公知の装置のことであり、ビーズミルを含む概念である。例えば、触媒11を担持したカーボン担体12と、アイオノマー13と、溶媒との混合液をビーズミル機に充填し、分散処理を行う。ビーズミルでは、回転軸の回転に伴うビーズの運動によって分散が促され、触媒11をアイオノマー13で被覆した触媒層用インクを得ることができる。ビーズの材質は特に限定されないが、例えば、セラミックス、ガラス、金属製等が挙げられる。ビーズの直径は特に限定されないが、通常、0.03〜2mmである。ビーズミルの台盤回転数は特に限定されないが、通常、100〜1000rpmである。ビーズミルの回転時間は特に限定されないが、通常、1〜10時間である。
Stirring is performed using, for example, a stirrer. The dispersion process is not particularly limited, and for example, the dispersion process is performed using a ball mill or the like. Here, the ball mill is a known device that rotates a ball and a material placed in a container and includes a bead mill. For example, a bead mill machine is filled with a mixed liquid of the
溶媒は水及び有機溶媒を含み、触媒層用インクを調製する際の分散媒として用いられる。水としては、例えば、水道水、純水、イオン交換水、蒸留水等が挙げられる。有機溶媒としては、例えば、シクロヘキサノール、メタノール、エタノール、n−プロパノール、n−ブタノール、等の炭素数1〜4の低級アルコール、プロピレングリコール、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。これらの他にも、例えば、酢酸ブチルアルコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール等が有機溶媒として用いられてもよい。これらの有機溶媒は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合液の状態で使用してもよい。有機溶媒は、溶媒除去の容易さの観点から、水よりも沸点の低いアルコールである、メタノール、エタノール、n−プロパノールが好ましい。適切な乾燥速度に制御できる観点から、2−プロパノールがより好ましい。 The solvent includes water and an organic solvent, and is used as a dispersion medium when preparing the ink for the catalyst layer. Examples of water include tap water, pure water, ion exchange water, and distilled water. As an organic solvent, C1-C4 lower alcohols, such as cyclohexanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol, propylene glycol, benzene, toluene, xylene, etc. are mentioned, for example. In addition to these, for example, butyl acetate alcohol, dimethyl ether, ethylene glycol, or the like may be used as the organic solvent. These organic solvents may be used individually by 1 type, or may be used in the state of a 2 or more types of liquid mixture. The organic solvent is preferably methanol, ethanol, or n-propanol, which is an alcohol having a boiling point lower than that of water, from the viewpoint of ease of solvent removal. 2-Propanol is more preferable from the viewpoint of controlling to an appropriate drying rate.
アイオノマー13と溶媒との混合比は、特に限定されないが、通常、アイオノマー:溶媒=1:99〜30:70である。溶媒全体に対する水の含有量は、特に限定されないが、通常、5質量%以上である。なお、アイオノマー13と溶媒との混合液は、市販のアイオノマー分散液を用いても良い。
The mixing ratio of the
(半乾燥状態の触媒層を形成するステップ)
ステップS12は、触媒層用インクを電解質膜1、樹脂シート及び金属板等から選択される基材の表面に塗布し塗膜を形成した後、この塗膜を乾燥処理して塗膜中に溶媒の一部を残して半乾燥状態とし、半乾燥状態の触媒層21を形成するステップである。
(Step of forming a semi-dry catalyst layer)
In step S12, the catalyst layer ink is applied to the surface of the substrate selected from the electrolyte membrane 1, the resin sheet, the metal plate, and the like to form a coating film. This is a step of forming a
ここで、半乾燥状態とは、塗膜中の有機溶媒の一部又は全部が乾燥により除去されているが、塗膜中の水の全部は除去されていない状態をいう。後述する電圧を印加するステップ後に、塗膜中の溶媒を乾燥処理により完全に除去する。 Here, the semi-dry state refers to a state in which part or all of the organic solvent in the coating film is removed by drying, but all of the water in the coating film is not removed. After the step of applying a voltage to be described later, the solvent in the coating film is completely removed by a drying treatment.
本願発明の特徴は、燃料電池の製造ステップに電圧印加ステップを含むことにより、カーボン担体12における細孔14の開口部15の平均径を拡張し、細孔14内にアイオノマー13を浸入させることにある。塗膜中の溶媒を完全に除去した場合、カーボン担体12の細孔14の開口部15の平均径を大きくしても、アイオノマー13の流動性がないために細孔14内にアイオノマー13が浸入できない。このため、実施の形態1の製造方法においては、アイオノマー13の流動性を高い状態に保つため、塗膜中の有機溶媒の一部又は全部を除去させるが、水の全部は除去させない。
A feature of the present invention is that the mean diameter of the
触媒層用インクを電解質膜1、樹脂シート及び金属板等から選択される基材の表面に塗布する方法は、特に限定されないが、例えば、スクリーン印刷、ドクターブレード法及びスプレー塗布法等を用いることができる。 The method for applying the ink for the catalyst layer to the surface of the substrate selected from the electrolyte membrane 1, resin sheet, metal plate, etc. is not particularly limited, but for example, screen printing, doctor blade method, spray coating method, etc. are used. Can do.
塗膜を半乾燥状態にするための乾燥処理の方法は、特に限定されないが、例えば、溶媒乾燥機を用いて塗膜を所定の温度で通過させることにより乾燥させることができる。溶媒乾燥機は、例えば温風乾燥炉であるが、溶媒の留去が可能であれば特に限定されず、例えば輻射熱によって溶媒を乾燥してもよく、あるいは温風と輻射熱との両方によって溶媒を乾燥させてもよい。溶媒乾燥機内の雰囲気温度である乾燥温度は、塗膜を半乾燥状態にできれば特に限定されないが、通常、20℃以上100℃未満である。なお、不活性ガス雰囲気下で乾燥させても良い。 Although the method of the drying process for making a coating film a semi-dry state is not specifically limited, For example, it can be made to dry by allowing a coating film to pass at predetermined temperature using a solvent dryer. The solvent dryer is, for example, a hot air drying furnace, but is not particularly limited as long as the solvent can be distilled off. For example, the solvent may be dried by radiant heat, or the solvent may be removed by both hot air and radiant heat. It may be dried. Although the drying temperature which is the atmospheric temperature in a solvent dryer will not be specifically limited if a coating film can be made into a semi-dry state, Usually, it is 20 to 100 degreeC. In addition, you may dry in inert gas atmosphere.
半乾燥状態にある触媒層21において、塗膜中の有機溶媒の含有量は、特に限定されないが、例えば、アイオノマー13の流動性の観点から、塗膜中の水に対して、好ましくは1質量%以上、より好ましくは2質量%以上、さらに好ましくは3質量%以上である。一方、半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池を構築する観点から、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、さらに好ましくは10質量%以下である。したがって、半乾燥状態にある触媒層21において、塗膜中の有機溶媒の含有量としては、塗膜中の水に対して、1〜20質量%が好ましく、2〜15質量%がより好ましく、3〜10質量%がさらに好ましい。塗膜中の有機溶媒の含有量が上記範囲内にあれば、使用する有機溶媒にもよるが、細孔14内に浸入するための、高いアイオノマー13の流動性が十分に得られる。
In the
(半乾燥状態の触媒層を有する燃料電池を製造するステップ)
ステップS13は、得られた半乾燥状態の触媒層21を用いて、半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池を製造するステップである。
(Step of manufacturing a fuel cell having a semi-dry catalyst layer)
Step S13 is a step of manufacturing a fuel cell having the
半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池の製造方法としては、特に限定されず、既知の方法を用いて製造することができる。例えば、電解質膜1の両面に半乾燥状態の触媒層21を形成した後、ガス拡散層22としてカーボンペーパー等で挟持し、熱圧着することで、電解質膜1及び電極2の膜電極接合体4が得られる。次いで、各電極2の外側の面を、さらに2枚のセパレータ3で挟むことにより、半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池が得られる。
A method for producing the fuel cell having the
(電圧を印加するステップ)
ステップS14は、本発明の特徴的なステップであり、半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池に電圧を印加するステップである。
半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池の電極2に電圧を印加し、半乾燥状態の触媒層21に電圧が印加されることにより、カーボン担体12における細孔14の開口部15が拡張され、開口部15の平均径が大きくなる。さらに、半乾燥状態の触媒層21であるためアイオノマー13の流動性が高く、アイオノマー13が、カーボン担体12の拡張された開口部15を通り、細孔14内に浸入する。
(Step of applying voltage)
Step S14 is a characteristic step of the present invention, and is a step of applying a voltage to the fuel cell having the
By applying a voltage to the
電圧を印加するステップは、カーボン担体12の炭素酸化反応を進行させることを目的として行なわれる。炭素酸化反応は、下記の式で表される電気化学反応である。
C+H2O=CO+2H++2e−・・・(1)
C+2H2O=CO2+4H++4e−・・・(2)
上記式(1)の平衡電位E0=0.52Vであり、上記式(2)の平衡電位E0=0.21Vである。
カソードの電位が式(1)と式(2)の平衡電位E0よりも高い時には酸化方向、すなわち電子を放出する方向へ反応が進み、カーボン担体12の炭素が酸化される。特に燃料電池起動時において、カソードの一部が局所的に異常な高電位になる現象が起きた場合、主に上記式(2)によりカーボン担体12の炭素が酸化されると考えられている。本発明は、この炭素酸化反応を用いて、カーボン担体12の炭素を酸化して、カーボン担体12の細孔14の開口部15の平均径を拡張する。
The step of applying a voltage is performed for the purpose of advancing the carbon oxidation reaction of the
C + H 2 O = CO + 2H + + 2e − (1)
C + 2H 2 O═CO 2 + 4H + + 4e − (2)
It is the equilibrium potential E 0 = 0.52 V in the formula (1), the equilibrium potential E 0 = 0.21 V in the formula (2).
When the cathode potential is higher than the equilibrium potential E 0 in the equations (1) and (2), the reaction proceeds in the oxidation direction, that is, in the direction of emitting electrons, and the carbon of the
半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池に電圧を印加する方法としては、特に限定されないが、例えば、カソードに空気又は酸素を供給し、アノードに水素を供給しながら閉回路状態で燃料電池に所定の電圧をかけ、所定の時間保持する。印加され保持される電圧値は、炭素酸化反応を迅速に進行させる観点から、好ましくは0.5V以上であり、より好ましくは1.2V以上であり、さらに好ましくは1.3V以上である。一方、炭素酸化反応を制御する観点から、好ましくは2.0V以下であり、より好ましくは1.5V以下、さらに好ましくは1.4V以下である。したがって、印加され保持される電圧値としては、0.5〜2.0Vが好ましく、1.2〜1.5Vがより好ましく、1.3〜1.4Vがさらに好ましい。
A method for applying a voltage to the fuel cell having the
電圧を保持する時間は、温度や炭素酸化反応させるカーボン担体12の量、カーボン担体12の黒鉛化度等にもよるが、通常、5分間未満であることが好ましく、より好ましくは2分間未満である。電圧を保持する時間があまりにも長すぎると、炭素酸化反応以外に、電解質膜1の化学的劣化や触媒活性の低下が進行してしまい、燃料電池の発電性能が低下する。
The voltage holding time is usually preferably less than 5 minutes, more preferably less than 2 minutes, although it depends on temperature, the amount of
電圧の印加および保持は、室温(25℃)で実施しても良いが、例えば、室温以上100℃未満の温度で実施しても良い。室温以上100℃未満の温度で実施することで、アイオノマー13の流動性が向上する。
The application and holding of the voltage may be performed at room temperature (25 ° C.), but may be performed at a temperature not lower than room temperature and lower than 100 ° C., for example. By carrying out at a temperature of room temperature or higher and lower than 100 ° C., the fluidity of the
また、上述した所定の電圧を印加して保持する方法の他に、燃料電池の起動停止時を模擬した電位サイクルを燃料電池に負荷してもよい。例えば、カソードに窒素を供給し、アノードに水素を供給した状態で、所定の電位領域内で電位サイクルを燃料電池に負荷する。電位領域は、参照電極(標準水素電極)に対して、炭素酸化反応を迅速に進行させる観点から、好ましくは0.5V以上であり、より好ましくは1.2V以上であり、さらに好ましくは1.3V以上である。一方、炭素酸化反応を制御する観点から、好ましくは2.0V以下であり、より好ましくは1.5V以下、さらに好ましくは1.4V以下である。したがって、電位領域としては、0.5〜2.0Vが好ましく、1.2〜1.5Vがより好ましく、1.3〜1.4Vがさらに好ましい。 In addition to the above-described method of applying and holding the predetermined voltage, a potential cycle that simulates the start and stop of the fuel cell may be applied to the fuel cell. For example, with the nitrogen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode, the fuel cell is loaded with a potential cycle within a predetermined potential region. The potential region is preferably 0.5 V or more, more preferably 1.2 V or more, and still more preferably 1.V from the viewpoint of rapidly proceeding the carbon oxidation reaction with respect to the reference electrode (standard hydrogen electrode). 3V or more. On the other hand, from the viewpoint of controlling the carbon oxidation reaction, it is preferably 2.0 V or less, more preferably 1.5 V or less, and even more preferably 1.4 V or less. Accordingly, the potential region is preferably 0.5 to 2.0 V, more preferably 1.2 to 1.5 V, and even more preferably 1.3 to 1.4 V.
電位サイクルの走査は、特に限定されないが、低電位から高電位に変化させてから再び低電位に変化させるまでの走査を1サイクルとして、通常、1,000〜60,000サイクル走査する。サイクル数が多いほど炭素酸化反応が進行しやすく、サイクル数が少ないほど電解質膜1の化学的劣化及び触媒活性の低下を抑えやすい。炭素酸化反応を促進する観点からは、サイクル数を増やし、電解質膜1の化学的劣化及び触媒活性の低下を抑える観点からはサイクル数を減らすことができる。 The scanning of the potential cycle is not particularly limited, but scanning is normally performed for 1,000 to 60,000 cycles, with one cycle from changing from a low potential to a high potential to changing to a low potential again. The larger the number of cycles, the easier the carbon oxidation reaction proceeds, and the smaller the number of cycles, the easier it is to suppress chemical deterioration of the electrolyte membrane 1 and a decrease in catalytic activity. From the viewpoint of promoting the carbon oxidation reaction, the number of cycles can be increased, and from the viewpoint of suppressing the chemical deterioration of the electrolyte membrane 1 and the decrease in the catalytic activity, the number of cycles can be reduced.
(燃料電池を製造するステップ)
ステップS15は、半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池を乾燥処理して、触媒層21中の溶媒を完全に除去し、カーボン担体12の細孔14内に担持された触媒11がアイオノマー13により被覆された触媒層21を有する燃料電池を得るステップである。乾燥処理は、特に限定されないが、例えば、上述した半乾燥状態の触媒層21を形成するステップS12における乾燥方法と同様の方法を用いることができる。
(Step of manufacturing a fuel cell)
In step S15, the fuel cell having the
<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係る、燃料電池の製造方法を説明する。
図5に示す実施の形態2に係る燃料電池の製造方法は、電圧を印加するステップにおける電圧印加の対象が半乾燥状態の触媒層21を有する燃料電池ではなく、触媒層用インクである点で実施の形態1の製造方法と異なる。その他の方法は、実施の形態1の製造方法と同様の方法である。
<
Next, a method for manufacturing a fuel cell according to
The fuel cell manufacturing method according to
図5に示されるように、実施の形態2に係る燃料電池の製造方法は、ステップS20、ステップS21、ステップS22、ステップS23及びステップS24を含む。以下、各ステップについて説明する。
As shown in FIG. 5, the fuel cell manufacturing method according to
(触媒層を担持するステップ及び触媒層用インクを調製するステップ)
ステップS20は、触媒層21を担持するステップであり、実施の形態1のステップS10と同様である。ステップS21は、触媒層用インクを調製するステップであり、実施の形態1のステップS11と同様である。このため、ステップS20及びステップS21は説明を省略する。
(Step of supporting catalyst layer and step of preparing ink for catalyst layer)
Step S20 is a step of supporting the
(電圧を印加するステップ)
ステップS22は、触媒層用インクに電圧を印加するステップである。
電圧を印加する方法は、特に限定されないが、通常、触媒層用インク中に、作用電極、対極および参照電極(標準水素電極)を浸漬させ、作用電極と対極の間に電圧を印加し、所定時間保持する。印加され保持される電圧値は、炭素酸化反応を迅速に進行させる観点から、好ましくは0.5V以上であり、より好ましくは1.2V以上であり、さらに好ましくは1.3V以上である。一方、炭素酸化反応を制御する観点から、好ましくは2.0V以下であり、より好ましくは1.5V以下、さらに好ましくは1.4V以下である。したがって、印加され保持される電圧値としては、0.5〜2.0Vが好ましく、1.2〜1.5Vがより好ましく、1.3〜1.4Vがさらに好ましい。電圧を保持する時間は、温度や炭素酸化反応させるカーボン担体12の量、カーボン担体12の黒鉛化度等にもよるが、通常、1分間〜24時間の範囲である。電圧の印加は、室温(25℃)で実施しても良いが、例えば、室温以上、100℃未満の温度で実施しても良い。室温以上、100℃未満の温度で実施することで、アイオノマー13の流動性を高めることができる。なお、実施の形態1において説明したように、電位サイクルを触媒層用インクに負荷してもよい。
(Step of applying voltage)
Step S22 is a step of applying a voltage to the catalyst layer ink.
The method for applying the voltage is not particularly limited. Usually, the working electrode, the counter electrode and the reference electrode (standard hydrogen electrode) are immersed in the ink for the catalyst layer, and the voltage is applied between the working electrode and the counter electrode. Hold for hours. The voltage value to be applied and held is preferably 0.5 V or more, more preferably 1.2 V or more, and further preferably 1.3 V or more, from the viewpoint of promptly proceeding the carbon oxidation reaction. On the other hand, from the viewpoint of controlling the carbon oxidation reaction, it is preferably 2.0 V or less, more preferably 1.5 V or less, and even more preferably 1.4 V or less. Therefore, the voltage value applied and held is preferably 0.5 to 2.0 V, more preferably 1.2 to 1.5 V, and still more preferably 1.3 to 1.4 V. The voltage holding time is usually in the range of 1 minute to 24 hours, although it depends on the temperature, the amount of
(触媒層を形成するステップ)
ステップS23は、電圧印加後の触媒層用インクを電解質膜1、樹脂シート及び金属板等から選択される基材の表面に塗布し塗膜を形成した後、この塗膜を乾燥処理して塗膜中の溶媒を除去し、触媒層21を形成するステップである。
ステップS23は、塗膜中の溶媒を完全に除去する点で実施の形態1のステップS12と異なる。それ以外の点は同様であり、塗膜中の溶媒を完全に除去する方法は、実施の形態1のステップS12と同様の乾燥方法を用いることができるため、説明は省略する。
(Step of forming the catalyst layer)
In step S23, the ink for the catalyst layer after voltage application is applied to the surface of the substrate selected from the electrolyte membrane 1, the resin sheet, the metal plate, and the like to form a coating film, and then the coating film is dried and applied. In this step, the solvent in the film is removed to form the
Step S23 differs from step S12 of the first embodiment in that the solvent in the coating film is completely removed. The other points are the same, and the method for completely removing the solvent in the coating film can use the same drying method as in Step S12 of Embodiment 1, and thus the description thereof is omitted.
(燃料電池を製造するステップ)
ステップS24は、触媒層21を用いて燃料電池を製造するステップである。
ステップS24は、溶媒が完全に除去された触媒層21を用いている点で実施の形態1のステップS13と異なる。それ以外の点は同様であり、触媒層21を用いて燃料電池を製造する方法は、実施の形態1のステップS13と同様の方法を用いることができるため、説明は省略する。
(Step of manufacturing a fuel cell)
Step S24 is a step of manufacturing a fuel cell using the
Step S24 is different from step S13 of Embodiment 1 in that the
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
10・・・燃料電池セル、1・・・電解質膜、2・・・電極、21・・・触媒層、22・・・ガス拡散層、4・・・膜電極接合体、3・・・セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電極(2)は、細孔を有するカーボン担体、触媒及びアイオノマーを含む触媒層(21)を有し、
前記カーボン担体、触媒及びアイオノマーと溶媒を混合した触媒層用インクに電圧を印加するか(S22)、又は前記触媒層用インクを用いて形成された前記触媒層(21)であって、半乾燥状態にある前記触媒層(21)を有する前記燃料電池に電圧を印加するステップ(S14)を含む、
燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell having electrodes (2) on both surfaces of an electrolyte membrane (1),
The electrode (2) has a catalyst layer (21) containing a carbon carrier having pores, a catalyst and an ionomer,
A voltage is applied to the ink for the catalyst layer in which the carbon carrier, the catalyst, the ionomer and the solvent are mixed (S22), or the catalyst layer (21) formed using the ink for the catalyst layer, which is semi-dry Applying a voltage to the fuel cell having the catalyst layer (21) in a state (S14),
Manufacturing method of fuel cell.
前記半乾燥状態にある前記触媒層(21)は、前記触媒層用インクを基材上に塗布して形成された塗膜であり、前記塗膜中の前記有機溶媒の含有量が、前記塗膜中の水に対して、1〜20質量%である、請求項5に記載の燃料電池の製造方法。 The ink for the catalyst layer contains water and an organic solvent as the solvent,
The catalyst layer (21) in the semi-dry state is a coating film formed by applying the catalyst layer ink on a substrate, and the content of the organic solvent in the coating film is the coating layer. The method for producing a fuel cell according to claim 5, wherein the content is 1 to 20% by mass with respect to water in the membrane.
前記カーボン担体の前記細孔内に担持された前記触媒は、前記アイオノマーにより被覆される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池の製造方法。
Further comprising supporting the catalyst in the pores of the carbon support (S10, S20),
The method for producing a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the catalyst supported in the pores of the carbon support is coated with the ionomer.
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